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    As interações de ondas de calor e som em sólidos podem fazer funcionar os motores, geladeiras

    Os pesquisadores imaginam a termoacústica em sólidos, eventualmente, aproveitando o gradiente de temperatura extrema do espaço sideral para eletricidade em satélites. Crédito:imagem da Purdue University / Mo Lifton

    Um sólido pode servir como um meio para interações de ondas de calor e som, assim como um fluido faz para motores termoacústicos e refrigeradores - resultando em máquinas sem vazamentos que podem permanecer operando por mais tempo.

    Sistemas com vazamento limitaram o modo como os engenheiros projetam dispositivos termoacústicos que dependem da interação entre as oscilações de temperatura e as ondas sonoras. Pesquisadores de Purdue e da Universidade de Notre Dame demonstraram pela primeira vez que a termoacústica poderia teoricamente ocorrer tanto em sólidos quanto em fluidos, recentemente apresentando suas descobertas no 175º Encontro da Acoustical Society of America.

    "Embora ainda em sua infância, esta tecnologia pode ser particularmente eficaz em ambientes hostis, como o espaço sideral, onde fortes variações de temperatura estão disponíveis gratuitamente e quando as falhas do sistema colocariam em risco a missão geral, "disse Fabio Semperlotti, Professor assistente de engenharia mecânica de Purdue.

    A termoacústica tem sido um fenômeno estabelecido e bem estudado em fluidos - seja como um gás ou líquido - por séculos. "Aplicar calor a um fluido encerrado em um duto ou cavidade causará a geração espontânea de ondas sonoras que se propagam no próprio fluido, "disse Carlo Scalo, professor assistente de engenharia mecânica em Purdue. "Isso resulta nos chamados tubos cantantes, ou máquinas termoacústicas. "

    Embora os fluidos tenham sido historicamente usados ​​para esses sistemas, a etapa extra de construir algo para conter os fluidos e evitar vazamentos é complicada. Isso levou os pesquisadores a considerarem os sólidos como substitutos.

    "As propriedades dos sólidos são mais controláveis, o que poderia torná-los potencialmente mais adequados para essas aplicações do que os fluidos. Precisávamos primeiro verificar se esse fenômeno poderia teoricamente existir em meios sólidos, "disse Hao haitiano, Purdue, assistente de pesquisa de pós-graduação em engenharia mecânica.

    A termoacústica permite que o calor residual ou as vibrações mecânicas sejam convertidas em outras formas úteis de energia. Para geladeiras, as ondas sonoras geram um gradiente de temperatura quente e frio. O movimento vibratório torna as áreas frias mais frias e as quentes mais quentes.

    Os motores usam um processo oposto:um gradiente de temperatura fornecido pelo calor residual leva a vibrações mecânicas.

    Termoacústica de estado sólido inicialmente parecia improvável, uma vez que os sólidos são um pouco mais "estáveis" do que os fluidos e tendem a dissipar a energia mecânica mais prontamente, tornando mais difícil para o calor gerar ondas sonoras.

    Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico demonstrando que uma haste de metal fina pode exibir vibrações mecânicas autossustentadas se um gradiente de temperatura for periodicamente aplicado aos segmentos da haste. Esta dissipação de energia mecânica indesejada equilibrada e mostrou que, como fluidos, os sólidos se contraem quando esfriam e se expandem quando se aquecem. Se o sólido contrair menos quando resfriado e se expandir mais quando aquecido, o movimento resultante aumentará com o tempo.

    Os sólidos também podem ser projetados para atingir as propriedades necessárias para atingir um alto desempenho termoacústico. "Os fluidos não nos permitem fazer isso, "Disse Semperlotti.

    Diferenças extremas de temperatura no espaço seriam perfeitas para gerar vibrações mecânicas que são então convertidas em energia elétrica em espaçonaves.

    "Um dispositivo de estado sólido usaria o sol como sua fonte de calor e a radiação para o espaço profundo como sua fonte de frio, "Semperlotti disse." Esses sistemas podem operar indefinidamente, visto que não têm nenhuma peça em movimento ou fluido que possa vazar. "

    Os pesquisadores ainda precisam concluir uma configuração experimental para validar essa ideia de projeto e entender melhor a termoacústica de sólidos conforme descoberta por meio de cálculos matemáticos e modelagem.

    "As possíveis aplicações e desempenho desses dispositivos ainda estão no reino da pura especulação neste momento, "Semperlotti disse." Mas o fenômeno existe e tem o potencial de abrir algumas direções notáveis ​​para o projeto de dispositivos termoacústicos. "

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